Wetsus ontwikkelt filter voor PFAS-verontreiniging in (drink)water

Nieuw molecuul ontdekt door WUR-onderzoeksgroep Organische Chemie

Een PFAS molecuul — **Figuur 1**: Een PFAS-molecuul

Met een ringvormig molecuul, dat in de asrichting tien functionele groepen eraan heeft gebonden, kunnen PFAS-componenten zeer efficiënt en selectief uit het water gefilterd worden. Dit maakt een groep wetenschappers bekend in Angewandte Chemie. Het onderzoek wordt bij Wetsus en de Wageningen Universiteit voortgezet om de mogelijkheid te vinden de technologie op te schalen en de geadsorbeerde PFAS af te breken. Dit kan een doorbraak zijn die kan bijdragen aan schoon drink- en zwemwater.

Het PFAS-probleem

PFAS (per- en polyfluoralkylstoffen) is een verzamelnaam voor duizenden nuttige, maar tevens echt schadelijke en moeilijk afbreekbare (fluor)verbindingen (zie figuur 1), die door de mens zijn gemaakt en die nu overal in het milieu, en dus ook in (drink)water, mens en dier voorkomen. Hierdoor hopen ze zich op in mensen, dieren en het milieu. Ze worden gemaakt voor een veelheid aan producten zoals elektronica, verzorgingsproducten en pesticiden. Ze worden eveneens gebruikt in een beschermende coating om vet en water af te stoten in textiel, pannen, voedselverpakkingen en tandflos.

PFAS heeft namelijk als eigenschap dat het vet- en waterafstotend is en onder andere gebruikt kan worden als anti-aanbaklaag in een (koeken)pan en als component in regenkleding of blusschuim en smeermiddelen. Het komt vrij in het milieu door emissies uit de fabrieken waarin het gemaakt wordt (bijvoorbeeld Chemours in Dordrecht en 3M in Antwerpen) en uit afvalstortplaatsen met producten waarin PFAS verwerkt is. Het gevolg is dat het dan uiteindelijk in ons voedsel en drinkwater terecht komt en dus ook in ons lichaam, waaruit het niet meer weg gaat. Dit kan leiden tot aantasting van ons immuunsysteem met verschillende ziektes tot gevolg waaronder kanker. Om dat te voorkomen wordt er geprobeerd om het gebruik van PFAS te verminderen. Daarnaast wordt er geprobeerd om het weer uit het milieu te halen.

Figuur 2: Amanda Larasati en Jan Post in het Wetsus laboratorium bij de opstelling waarin zij de filters met de ringvormige moleculen maken. — Amanda Larasati en Jan Post in het Wetsus laboratorium bij de opstelling waarin zij de filters met de ringvormige moleculen maken (foto: Jacob van Essen)

De Wageningse hoogleraar Han Zuilhof ontwikkelde een molecuul dat PFAS aantrekt

Wetsus-onderzoek naar een filter voor PFAS

Wetsus is een Fries instituut dat op het gebied van watertechnologie nauw samenwerkt met universiteiten en bedrijfsleven. Het instituut is erin geslaagd een methode te ontwikkelen om PFAS uit (drink)water te halen. Het is Wetsus namelijk gelukt om met diverse technieken, waaronder een laagdrempelig filter PFAS uit het water te verwijderen. Om dit filter te ontwikkelen heeft de Wageningse hoogleraar Han Zuilhof een molecuul ontwikkeld dat PFAS aantrekt.

Omdat het molecuul op een vast oppervlak is vastgezet, werkt het als een filter wanneer het te reinigen water erlangs stroomt

figuur 3: Het ringvormige DAF-P5S molecuul met aangehechte PFAS moleculen (iets versimpelde X-ray-kristalstructuur van pillararene met gevangen PFAS) — **Figuur 2**: Het ringvormige DAF-P5S molecuul met aangehechte PFAS moleculen (iets versimpelde X-ray-kristalstructuur van pillararene met gevangen PFAS)

Dit molecuul, genaamd DAF-P5S (Deca-ammonium-functionalized-pillar[5]arenes, zie figuur 2 en 3), heeft de vorm van een ring die bestaat uit benzeenringen met vijf functionele groepen die aan beide zijden ervan zijn bevestigd in de richting van de ringas. Deze functionele groepen trekken aan de buitenkant PFAS aan. Als je op alle tien aanhechtingspunten voor de functionele groepen aan de ring een positieve lading aanbrengt in de vorm van ketens met een uiteinde van ammonium, kunnen daar allemaal zuren aan gaan zitten door elektrostatische bindingen. Dit gaat heel goed met perfluoralkaanzuren. Het eerste fluorzuur wordt redelijk makkelijk aan het molecuul gebonden en weer losgelaten, maar zodra er meer op één molecuul zijn gebonden, gaan de fluorketens sterke onderlinge interacties aan en blijven ze sterk aan de pillararenes hechten. Dit is een dubbel bindingsprincipe. Afhankelijk van de aangebrachte functionele groepen worden er verschillende PFAS verbindingen aangetrokken (zie figuur 4).

Doordat PFAS in water aan het molecuul hecht, verzamelt er zich rondom het molecuul een grote hoeveelheid PFAS. Omdat het molecuul op een vast oppervlak is vastgezet werkt het als een filter als het te reinigen water er langs stroomt. Hierdoor verwijder je PFAS uit het water. Vervolgens spoel je het oppervlak en daarmee het aangehechte molecuul (DAF-P5S) met alcohol en kun je het opnieuw gebruiken. In het laboratorium is dit tien keer achter elkaar gelukt en de hoop is dat dit nog veel vaker kan als het in de praktijk wordt toegepast.

Pillararene met funtionele groepen — **Figuur 3**: Pillararene met functionele groepen (aangeduid in het blauw) met aangetrokken PFAS (aangeduid in het groen)

Het vernietigen van de gefilterde PFAS

De PFAS bevindt zich nu in de alcohol waarmee het filter is gespoeld. Nu is het tijd om de afbraak verder te onderzoeken. Wat precies de PFAS afbreekt, is onderdeel van lopend onderzoek door Wetsus en Wageningen Universiteit. Omdat de octrooiaanvraag niet openbaar is, is het nog een geheim hoe dit precies in zijn werk gaat. Het zou revolutionair zijn als dit inderdaad lukt met beperkte kosten en milieu-impact.

Het zal nog ongeveer tien jaar duren voordat er een werkende filter op de markt is. De opschaling vereist nog veel chemisch en technologisch werk

Het nieuwe filter zou in de toekomst in elke woning gebruikt kunnen worden bij het zuiveren van het (drink)water. Het werkt veel beter dan filteren met actieve kool, die alles vangt inclusief PFAS maar niet selectief is en ook minder efficiënt is, omdat je het maar een keer kan gebruiken. Het nieuwe filter kan naast (drink)waterzuivering ook worden gebruikt voor afvalwaterzuivering van PFAS-producerende fabrieken. Het is natuurlijk wel nog beter om helemaal te stoppen met PFAS te produceren, dan om deze achteraf te verwijderen. De industrie werkt dan ook hard aan alternatieven, maar tot die tijd zou dit filter een uitkomst kunnen zijn.

De ontwikkeling van dergelijke filters is van groot belang. PFAS-verbindingen breken immers niet af en zullen dus nog decennialang in ons milieu terug te vinden zijn, ook als ze niet meer worden geproduceerd. Wetsus bouwt voor de verdere ontwikkeling ervan consortia op met oog op een holistische benadering. Bedrijven die willen samenwerken kunnen met het Wetsus-Instituut of met Wageningen Universiteit (WUR) contact opnemen.

PFAS De verschiilende positieve groepen — **Figuur 4**: De verschillende positieve groepen die de onderzoekers aan de pillararene hebben bevestigd met daaronder de verschillende PFAS die deze groepen aantrekken, en aan de rechterkant de basisstructuur van pillararene

Toepassing filter

Het zal nog ongeveer tien jaar duren voor er een werkende filter op de markt is. In het in de referentie genoemde artikel laten Zuilhof en collega's zien hoe pillararenes kunnen worden vastgezet op TentaGelS, wat een commercieel resin is en zo kan dienen als een filter voor perfluoroctaanzuur (PFOA) en perfluoroctaansulfonzuur (PFOS). Dit zijn twee van de honderden soorten PFAS die er in water aanwezig zijn. Dit werkte heel goed in een laboratorium: ze filterden zwaar vervuild water (10 mg PFAS per liter) binnen een paar minuten tot een PFAS concentratie van minder dan 50 ng/liter. Actieve kool haalde in een vergelijkbaar experiment slechts 230-515 microgram per liter. Dit is tienduizend keer slechter. Voor het filter moeten de pillararenes worden vastgezet op iets hards waar het te reinigen water langs kan stromen.

De opschaling vereist nog veel chemisch en technologisch werk. Het onderzoeksteam vond pillararenes voor twee soorten PFAS in water (PFOA en PFOS, zie figuur 4). Er moeten dus nog pillararenes met andere functionele groepen worden ontwikkeld voor andere soorten PFAS in water. Het filter kan als eerste het beste gebruikt worden voor afvalwater van PFAS producerende bedrijven, omdat daar de concentratie hoog is. Een tweede toepassing is voor de zuivering van drinkwater, omdat dat echt schoon moet zijn. Bij toepassing op rivierwater is er concurrentie van andere stoffen. Toch werkt het ook daar goed, ondanks dat in rivierwater humeszuren voorkomen in duizend maal hogere concentraties dan PFAS, die hiermee concurreren. Eerst binden de humuszuren aan de pillararenes en daarna vervangen de PFAS ze geleidelijk. De pillararenes werken dus heel specifiek en zijn echt een stap vooruit in het onderzoek.

Referentie
www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.202403474
Gao, T.N. et al, Rim-based binding of perfluorinated acids to pillararenes purifies water, 24 march 2024 in Angew. Chem. Int. ed.

Filter voor PFAS verontreiniging in het (drink)water